He sabido que la Luna de la Tierra, llamémosla Luna (punta del sombrero a La Expansión), ha ido aumentando lenta pero seguramente su distancia de la Tierra en una pequeña medida cada año.
Esta semana me sorprendió saber que la NASA ha determinado que al menos una de las lunas de Saturno también se está alejando de su planeta de origen. En este caso es Titán, la luna más grande de Saturno.
Si bien esta noticia en realidad respalda una idea/pregunta que tuve hace unos 8 años y que nunca pude conciliar. Siempre me había preguntado por qué la Luna que gira alrededor de la Tierra no se aleja de la Tierra a un ritmo constante, debido a la fuerza céntrica realizada por la trayectoria de la órbita circular de la Luna.
Supongo que esta es una pregunta para ambos cuerpos celestes, Luna y Titán. Siempre me habían enseñado que cuando se realizan todos los cálculos de la mecánica orbital estable de cualquier objeto, casi siempre se encuentra que la órbita se encuentra en un perpetuo estado de descomposición orbital. Como es el caso de la ISS y la mayoría de los satélites, esto requiere una intervención periódica y deliberada en la órbita, generalmente en forma de unos pocos propulsores de maniobra calculados y cronometrados con precisión.
¿Qué es lo que hace que estas dos lunas se desplacen hacia el espacio y contra los pozos de gravedad de sus respectivos planetas anfitriones, a diferencia de la actividad observada más comúnmente con los patrones orbitales de la mayoría de los otros satélites, caracterizada por el lento estrechamiento del patrón orbital como ¿Se desplazarían hacia el interior de los pozos de gravedad de sus respectivos planetas anfitriones con sus trayectorias orbitales decayendo lentamente?
¡Una muy buena pregunta!
La razón tiene que ver esencialmente con las mareas. Y un resumen un poco demasiado simplificado es: si la luna orbita más lentamente que la rotación del cuerpo principal (como lo hace nuestra Luna, 12 grados por día mientras que la Tierra gira alrededor de 360 grados por día), entonces la luna orbitará gradualmente más y más. más lejos. Si la luna orbita más rápido que la rotación del cuerpo principal, entonces la luna orbitará gradualmente más y más cerca y eventualmente se estrellará.
Si no hubiera mareas, nada de esto pasaría. Si ambos cuerpos son perfectamente rígidos y perfectamente esféricos, se orbitarán entre sí eternamente, sin cambios.
Mareas
La Tierra es blanda y se estira en respuesta a las fuerzas gravitatorias. Por "la Tierra" aquí, me refiero principalmente a los océanos; pero la roca también se estira (mucho menos) en respuesta a la gravedad.
Supongamos por un momento que la Tierra es perfectamente fluida, y que ese fluido también carece perfectamente de fricción y no tiene inercia. En ese caso, habrá un "bulto" justo debajo de la Luna, causado por el hecho de que esta posición está más cerca de la Luna que el centro de la Tierra y, por lo tanto, es atraída más fuertemente por la gravedad de la Luna. De manera similar, hay un "bulto" en el lado más alejado de la Luna, causado por el hecho de que esta posición está más lejos de la Luna que el centro de la Tierra y, por lo tanto, la gravedad de la Luna la atrae con menos fuerza . (De memoria, la altura de estos bultos es de unos 50 cm).
Por lo tanto, a medida que la Luna orbita una Tierra fluida, sin fricción y sin inercia, la Tierra se vuelve ligeramente elíptica y el "bulto" sigue exactamente el punto sublunar. Por lo tanto, no hay efecto sobre el movimiento de la Luna.
La Tierra no es perfectamente fluida. El movimiento de los materiales que lo componen (especialmente el agua) no es sin fricción. Los materiales reales tienen inercia. Así que la descripción que acabo de dar es completamente falsa.
En el mundo real, las mareas superan los 50 cm. Esto se debe a que el agua chapotea; por ejemplo, tome una bandeja poco profunda, llénela con agua e intente transportarla: las pequeñas irregularidades en la forma en que camina se convierten en grandes irregularidades en la forma en que se mueve el agua y termina derramando la mayor parte del agua.
En el mundo real, dado que la Tierra gira más rápidamente (360°/día) que la Luna (12°/día), la protuberancia está siendo arrastrada demasiado hacia adelante por la rotación de la Tierra. Omitiendo muchos detalles precisos, esto significa que la Luna "ve" debajo de sí misma una Tierra ligeramente elíptica con su protuberancia ligeramente por delante del punto sublunar. Por lo tanto, la Luna siempre está siendo empujada ligeramente hacia adelante en su órbita.
Tirar de un satélite hacia adelante en su órbita lo hace orbitar más alto y también hace que su período orbital sea más largo. Dado que la acción y la reacción son iguales y opuestas, esto también está empujando a la Tierra hacia atrás en su rotación, por lo que los días se hacen cada vez más largos. Dos consecuencias interesantes: como la Luna se aleja, se hace más pequeña en el cielo, y un día se hará lo suficientemente pequeña como para que no haya más eclipses totales de Sol. Como los días son cada vez más largos, un día los días serán de un año de duración, y no habrá más 29 de febrero.
lunas rapidas
Cuando una luna orbita más rápido que el día de su planeta padre, sucede exactamente lo contrario. La luna estará "viendo" debajo de sí misma un planeta ligeramente elíptico cuyo bulto está "demasiado atrás" y lo empuja hacia atrás en su órbita. Esto hace que la órbita sea más baja y que su período orbital sea más corto. Este proceso no tiene fin y eventualmente la luna caerá lo suficientemente bajo como para ser atrapada por la atmósfera del planeta y estrellarse.
Resumen
Debido a las mareas, las órbitas de las lunas y los satélites tienden a decaer y se alejan de la posición "una órbita = un día". Una luna que esté fuera de esa posición se moverá más y más fuera de ella. Una luna que esté dentro de esa posición se moverá más y más dentro de ella.
La rapidez con la que ocurre este proceso depende de la naturaleza del planeta. Si el planeta estuviera hecho de una sustancia perfectamente rígida, el efecto no ocurriría en absoluto porque no cambiaría de forma debido a la gravedad de la luna. Si fuera perfectamente fluido y sin inercia, el efecto no ocurriría en absoluto porque el bulto podría mantenerse exactamente bajo la luna sin ningún esfuerzo. La Tierra es un buen candidato para el decaimiento orbital debido a sus océanos. Saturno es un buen candidato para el decaimiento orbital porque es principalmente gas. Marte no es un buen candidato porque en su mayor parte es roca que, aunque flexible, no es tan flexible como el agua o el gas.
Posdata: La Tierra también orbita alrededor de la Luna, y el efecto general ha sido que el día de la Luna se ha alargado hasta igualar el tiempo que tarda la Tierra en orbitar la Luna. El Sol también eleva las mareas en la Tierra (y la Tierra en el Sol) y así, dado que el Sol gira más rápido que una vez al año, la Tierra está siendo empujada hacia adelante en su órbita, se está alejando constantemente del Sol, y la año es cada vez más largo.
Las órbitas debajo de las órbitas síncronas tienen una velocidad angular más alta que la rotación de sus planetas, las órbitas arriba tienen una velocidad angular más lenta. El arrastre (atmosférico o de marea) intentaría hacer coincidir la velocidad angular con la rotación de los planetas. Entonces, debajo de una órbita sincrónica, los objetos se vuelven más lentos, por encima se acelerarían (y ralentizarían la rotación del cuerpo con el que están interactuando). Fobos, por ejemplo, está por debajo de la órbita síncrona de Marte y, de hecho, se acerca a Marte con el tiempo.
El artículo de Wikipedia sobre la aceleración/desaceleración de las mareas tiene más ejemplos.
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